基于快速診斷的空調(diào)系統(tǒng)引起車(chē)內(nèi)異響研究

楊　誠(chéng)，賴(lài)天華，周曉斌，孫煥坤，趙　毅

基于快速診斷的空調(diào)系統(tǒng)引起車(chē)內(nèi)異響研究

楊誠(chéng)，賴(lài)天華，周曉斌，孫煥坤，趙毅

（重慶大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，重慶 400044）

汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)是引起車(chē)內(nèi)異響的主要原因之一，針對(duì)某款SUV汽車(chē)在開(kāi)啟空調(diào)后車(chē)內(nèi)出現(xiàn)明顯“嗚嗚”異響聲的現(xiàn)象，應(yīng)用傳遞路徑分析和增量分析相結(jié)合方法進(jìn)行快速診斷。在實(shí)車(chē)上進(jìn)行噪聲測(cè)試分析，運(yùn)用頻譜分析法和聲學(xué)互動(dòng)濾波技術(shù)確定引起車(chē)內(nèi)異響主要激勵(lì)源為空調(diào)系統(tǒng)的壓縮機(jī)；結(jié)合對(duì)異響傳遞路徑和增量綜合分析，快速確定車(chē)內(nèi)異響主要輻射源為膨脹閥和蒸發(fā)器，并采取減振降噪措施，有效降低了車(chē)內(nèi)所存在的異響，降噪效果達(dá)2.5 dB（A）。

聲學(xué)；快速診斷；車(chē)內(nèi)異響；傳遞路徑分析；增量分析法；空調(diào)系統(tǒng)

隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)車(chē)內(nèi)NVH性能的要求也越來(lái)越高，車(chē)內(nèi)異響正逐步成為人們關(guān)注的對(duì)象。汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)作為汽車(chē)的重要組成部分，也是產(chǎn)生車(chē)內(nèi)異響的重要原因之一。文獻(xiàn)［1-2］從理論上闡述了壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，文獻(xiàn)［3］就斜盤(pán)式壓縮機(jī)的振動(dòng)噪聲特性進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)［4］對(duì)擺盤(pán)式壓縮機(jī)的振動(dòng)噪聲進(jìn)行研究，文獻(xiàn)［5］應(yīng)用聲強(qiáng)法測(cè)試汽車(chē)空調(diào)產(chǎn)生的噪聲，文獻(xiàn)［6-7］研究壓縮機(jī)振動(dòng)對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的影響，文獻(xiàn)［8-10］采用傳統(tǒng)方法對(duì)汽車(chē)空調(diào)引起車(chē)內(nèi)異響做了研究。

本文針對(duì)某款SUV汽車(chē)在開(kāi)啟空調(diào)時(shí)車(chē)內(nèi)出現(xiàn)“嗚嗚”的聲響，在實(shí)車(chē)上進(jìn)行車(chē)內(nèi)噪聲測(cè)試試驗(yàn)與相關(guān)部件振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)，結(jié)合大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論分析，將一種快速的車(chē)內(nèi)異響診斷的綜合方法運(yùn)用到此款SUV汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)引起的車(chē)內(nèi)異響分析中，可以大大減小時(shí)間成本，提高工作效率，為工廠(chǎng)解決實(shí)際問(wèn)題提供了一種快速有效的手段。

1　車(chē)內(nèi)噪聲測(cè)試分析

1.1車(chē)內(nèi)異響頻譜分析

針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)，車(chē)內(nèi)具有明顯的“嗚嗚”的異響聲。根據(jù)GB-T18697-2002《聲學(xué)-汽車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲測(cè)量方法》，利用PULSE振動(dòng)噪聲分析系統(tǒng)測(cè)定該車(chē)怠速工況下的噪聲頻譜，測(cè)量時(shí)在駕駛員右耳處布置麥克風(fēng)。

如圖1所示，車(chē)內(nèi)噪聲頻譜存在明顯峰值頻率，利用“聲學(xué)互動(dòng)濾波”技術(shù)進(jìn)行互動(dòng)濾波識(shí)別異響頻率。分別設(shè)置好相應(yīng)的頻帶衰減器，對(duì)原始時(shí)間信號(hào)進(jìn)行濾波及濾波后的數(shù)據(jù)回放試聽(tīng)，通過(guò)20位NVH工作者的試聽(tīng)評(píng)價(jià)，有超過(guò)85%的人認(rèn)為在207 Hz濾波后試聽(tīng)，異響明顯減弱，聲音品質(zhì)顯著改善。由此可以認(rèn)為，該車(chē)異響噪聲的主要頻率在207 Hz附近。

圖1　怠速開(kāi)空調(diào)時(shí)駕駛員右耳噪聲頻譜

1.2異響源的查找

該車(chē)空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)采用旋葉式壓縮機(jī)，其葉片數(shù)為5個(gè)，怠速時(shí)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為1 250 r/min，根據(jù)轉(zhuǎn)頻公式求出其轉(zhuǎn)頻為20.83 Hz，不難發(fā)現(xiàn)異響頻率恰好在壓縮機(jī)10倍頻附近。因此，車(chē)內(nèi)異響的激勵(lì)源可能是空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)。

為了明確該異響頻率是否與壓縮機(jī)有關(guān)，采用分別運(yùn)行法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)采集行駛加速時(shí)車(chē)內(nèi)噪聲，通過(guò)對(duì)比開(kāi)關(guān)空調(diào)行駛加速車(chē)內(nèi)噪聲彩色等高圖（圖2、圖3），發(fā)現(xiàn)不論空調(diào)開(kāi)啟或是關(guān)閉，加速行駛車(chē)內(nèi)噪聲在頻率200 Hz附近都有共振現(xiàn)象。進(jìn)而確認(rèn)車(chē)內(nèi)噪聲異響是由共振引起的。

圖2　關(guān)空調(diào)加速行駛時(shí)車(chē)內(nèi)噪聲彩色等高圖

圖3　開(kāi)空調(diào)加速行駛時(shí)車(chē)內(nèi)噪聲彩色等高圖

仔細(xì)對(duì)比圖2和圖3發(fā)現(xiàn)，空調(diào)開(kāi)啟后車(chē)內(nèi)噪聲在200 Hz處有增強(qiáng)的趨勢(shì)。經(jīng)分析認(rèn)為：空調(diào)壓縮機(jī)產(chǎn)生的工作頻率與結(jié)構(gòu)共振頻率基本一致，從而使該結(jié)構(gòu)共振更加明顯，使該單頻噪聲傳到車(chē)內(nèi)。

2　傳遞路徑分析評(píng)估

當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)的壓縮機(jī)作為激勵(lì)源時(shí)，可把壓縮機(jī)引起車(chē)內(nèi)異響的傳遞路徑簡(jiǎn)化為壓縮機(jī)噪聲通過(guò)空氣直接傳到車(chē)內(nèi)（傳遞路徑1）和空調(diào)制冷劑的壓力脈動(dòng)或管路的結(jié)構(gòu)振動(dòng)導(dǎo)致車(chē)內(nèi)異響（傳遞路徑2）兩種傳遞路徑。

2.1傳遞路徑試驗(yàn)分析

針對(duì)壓縮機(jī)噪聲對(duì)車(chē)內(nèi)異響的影響，采用B&K測(cè)試與分析系統(tǒng)，在壓縮機(jī)處與靠近防火墻的膨脹閥處布置麥克風(fēng)，采集噪聲信號(hào)。通過(guò)總值分析、倍頻程分析對(duì)傳遞路徑1（壓縮機(jī)噪聲影響路徑）中防火墻的聲學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而對(duì)傳遞路徑1進(jìn)行評(píng)估。

如圖4和圖6示，分別對(duì)比開(kāi)空調(diào)加速壓縮機(jī)和車(chē)內(nèi)噪聲、膨脹閥噪聲與車(chē)內(nèi)噪聲可以得出：車(chē)內(nèi)噪聲的變化趨勢(shì)與壓縮機(jī)和膨脹閥噪聲的變化趨勢(shì)并不相同，說(shuō)明壓縮機(jī)噪聲與車(chē)內(nèi)異響聲并無(wú)直接關(guān)系。經(jīng)過(guò)防火墻的吸聲、隔聲后，開(kāi)空調(diào)加速情況下壓縮機(jī)處噪聲降低33 dB（A）以上，靠近防火墻的膨脹閥處噪聲降低29 dB（A）以上，說(shuō)明防火墻具有很好的吸聲、隔聲性能。

圖4　開(kāi)空調(diào)加速行駛時(shí)壓縮機(jī)噪聲和車(chē)內(nèi)噪聲總值分析

利用1/3倍頻程進(jìn)一步確定該異響頻率是否有可能通過(guò)空氣聲傳到車(chē)內(nèi)。如圖5和圖7所示，在1/3倍頻程頻譜圖中可以發(fā)現(xiàn)：開(kāi)空調(diào)加速過(guò)程中，在207 Hz附近經(jīng)過(guò)防火墻的吸聲、隔聲作用后，壓縮機(jī)處噪聲降低24 dB（A）以上，膨脹閥噪聲降低18 dB（A）以上，說(shuō)明防火墻對(duì)異響頻率聲能具有很好的吸聲、隔聲性能，進(jìn)而表明該異響頻率不是通過(guò)空氣聲傳到車(chē)內(nèi)。

圖5　開(kāi)空調(diào)加速行駛時(shí)壓縮機(jī)噪聲和車(chē)內(nèi)噪聲1/3倍頻程圖

圖6　開(kāi)空調(diào)加速行駛時(shí)膨脹閥噪聲和車(chē)內(nèi)噪聲總值分析

圖7　開(kāi)空調(diào)加速行駛時(shí)膨脹閥噪聲和車(chē)內(nèi)噪聲1/3倍頻程圖

綜上可以得出：車(chē)內(nèi)異響并不是由于壓縮機(jī)噪聲經(jīng)空氣聲傳入的，從而否定了傳遞路徑1。

2.2分別運(yùn)行法對(duì)傳遞路徑2分析評(píng)估

利用分別運(yùn)行法，分別采集拆除空調(diào)系統(tǒng)高低壓管前后加速行駛工況下車(chē)內(nèi)噪聲。從拆掉高低壓管前后車(chē)內(nèi)噪聲加速行駛譜陣，如圖3、圖8所示，可以看出車(chē)內(nèi)仍存在200 Hz左右異響共振。因此，可以判定車(chē)內(nèi)異響頻率為結(jié)構(gòu)共振引起的，并非空調(diào)制冷劑的壓力脈動(dòng)或管路的結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的，需要對(duì)振動(dòng)傳遞路徑進(jìn)一步分析。

圖8　拆掉高低壓管加速行駛車(chē)內(nèi)噪聲聲彩色等高圖

3　增量分析法快速尋找空調(diào)系統(tǒng)共振部件

3.1增量分析法基本理論

對(duì)于線(xiàn)性單輸入單輸出系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入和輸出，由振動(dòng)理論可得，在時(shí)域可以表示為

x（t）——系統(tǒng)輸入；h（t）——系統(tǒng)響應(yīng)；y（t）——系統(tǒng)輸出。

在頻域可以表示為

x（f）——系統(tǒng)輸入；h（f）——系統(tǒng)響應(yīng)；y（f）——系統(tǒng)輸出。

對(duì)式（2）兩邊取對(duì)數(shù)得對(duì)數(shù)功率譜

即ΔxdB=ΔydB，也就是說(shuō)對(duì)于線(xiàn)性單輸入單輸出系統(tǒng)，對(duì)數(shù)功率譜的輸入的變化等于輸出的變化。

若輸入為振動(dòng)加速度，而輸出為聲壓的變化，此處忽略振動(dòng)物體本身發(fā)射聲音的條件（物體的大小、質(zhì)量、材料內(nèi)阻尼和邊界條件等）。測(cè)取的振動(dòng)加速度常常轉(zhuǎn)化為振動(dòng)速度，因?yàn)檎駝?dòng)發(fā)出的噪聲大小與振動(dòng)速度成正比，即振動(dòng)速度級(jí)變化等于聲壓級(jí)變化，公式如下

式中p為聲壓，v為振動(dòng)速度。

3.2增量分析法確定共振部件

增量分析法是基于線(xiàn)性單輸入單輸出系統(tǒng)而提出的。隨著工況的變化，分析某一頻率或所關(guān)注的某一頻帶的系統(tǒng)輸入與輸出的能量變化量是否相等。若相等則證明系統(tǒng)的輸出是由該輸入引起的，這就是單輸入單輸出的線(xiàn)性系統(tǒng)。

然而，通常將車(chē)內(nèi)振動(dòng)視為多輸入單輸出系統(tǒng)。基于對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的頻譜分析與傳遞路徑評(píng)估，發(fā)現(xiàn)車(chē)內(nèi)噪聲實(shí)為某一頻帶內(nèi)的共振頻率，通過(guò)增量分析法可以快速地識(shí)別出異響輻射源。故把其假定為單輸入單輸出系統(tǒng)，進(jìn)而可以通過(guò)公式（4）所述理論分析車(chē)內(nèi)異響輻射源。選取的加速度測(cè)點(diǎn)有壓縮機(jī)排氣端、高壓管、膨脹閥管和膨脹閥四處。

增量分析可以進(jìn)一步區(qū)分膨脹閥、膨脹閥管、高壓管等處對(duì)車(chē)內(nèi)異響的影響程度。通常選取異響差異較大的兩種工況，在頻譜上的表現(xiàn)為兩種工況的異響峰值與頻段能量差異較大。鑒于環(huán)境溫度對(duì)車(chē)內(nèi)異響具有較大的影響，分析的工況選為：常溫（25℃左右）、高溫（40℃左右）。因?yàn)檎駝?dòng)速度級(jí)變化等于聲壓級(jí)變化，將采集的各點(diǎn)振動(dòng)加速度轉(zhuǎn)化成振動(dòng)速度，通過(guò)各點(diǎn)的振動(dòng)速度譜分析異響頻率處的噪聲輻射源。

如表1所示，壓縮機(jī)車(chē)內(nèi)噪聲、膨脹閥加速度、膨脹閥管加速度、高壓管加速度峰值和頻段能量在常溫和高溫時(shí)的變化。車(chē)內(nèi)噪聲的峰值變化為2.9 dB（A），與之相近的為膨脹閥加速度2.1 dB（A）。車(chē)內(nèi)噪聲異響頻段能量變化為2.9 dB（A），無(wú)與之相近測(cè)點(diǎn)。因此與車(chē)內(nèi)噪聲關(guān)聯(lián)密切為膨脹閥。因膨脹閥與蒸發(fā)器安裝位置接近且都與駕駛室相通，因此車(chē)內(nèi)異響輻射源確定為膨脹閥和蒸發(fā)器處發(fā)出的。

表1　常溫（25℃左右）、高溫（40℃左右）數(shù)據(jù)對(duì)比（單位：dB（A）

4　改進(jìn)措施及應(yīng)用

通過(guò)分析得出車(chē)內(nèi)主要異響源是由膨脹閥及蒸發(fā)器的振動(dòng)引起的，需采取減振降噪措施，如添加約束、黏貼阻尼材料等。采取黏貼減振膠墊的方法，能有效抑制膨脹閥與蒸發(fā)器的振動(dòng)，從而減小其輻射的噪聲及對(duì)駕駛室內(nèi)其它異響源的影響。

采集應(yīng)用措施前后車(chē)內(nèi)的噪聲信號(hào)，比較措施應(yīng)用后的效果。圖9所示為膨脹閥、蒸發(fā)器添加減振膠墊前后車(chē)內(nèi)噪聲頻譜，可以看出膨脹閥、蒸發(fā)器添加減振膠墊后車(chē)內(nèi)噪聲異響峰值降低2.5 dB（A），異響頻段能量降低2.1 dB（A）。

圖9　改進(jìn)前后車(chē)內(nèi)噪聲頻譜

5　結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某國(guó)產(chǎn)SUV開(kāi)空調(diào)時(shí)產(chǎn)生“嗚嗚”的異響聲，綜合運(yùn)用測(cè)試技術(shù)方法與數(shù)據(jù)處理手段快速確定異響的主要傳遞路徑。在此基礎(chǔ)上，把車(chē)內(nèi)噪聲問(wèn)題簡(jiǎn)化成單輸入單輸出系統(tǒng)，運(yùn)用增量分析法快速識(shí)別出主要噪聲輻射源，并對(duì)主要異響源進(jìn)行減振降噪處理，處理前后異響峰值聲壓級(jí)降低2.5 dB（A），基本消除車(chē)內(nèi)異響頻率，有效解決該車(chē)內(nèi)異響問(wèn)題。

［1］ROYS B，SOEDEL W.On the acoustics of small highspeed：areviewanddiscussion［J］.NoiseControl Engineering，1989，32（1）：25-34.

［2］LOWSON M V.Theoretical analysis of compressor noise ［J］.Acoustical Society ofAmerica，1970，47（1B）：371-85.

［3］張立軍，靳曉雄.汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)引起的車(chē)內(nèi)噪聲實(shí)驗(yàn)研究［J］.汽車(chē)工程，2002，24（5）：398-402.

［4］黃鎖成，靳曉雄，張立軍.汽車(chē)空調(diào)用壓縮機(jī)的振動(dòng)和噪聲分析［J］.汽車(chē)技術(shù)，2003（5）.

［5］林澤安，班琦.聲強(qiáng)測(cè)量法在汽車(chē)空調(diào)噪聲測(cè)量中的應(yīng)用［J］.制冷與空調(diào)，2006，6（3）：30-32.

［6］鄧淳允.汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)引起車(chē)內(nèi)噪聲的解決方法［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2010，39（7）：160-162.

［7］朱愛(ài)武.空調(diào)壓縮機(jī)對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的影響［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2010，30（4）：47-49.

［8］顧燦松，鄧國(guó)勇，何森東.汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)異響引起的車(chē)內(nèi)噪聲研究與解決［J］.汽車(chē)技術(shù)，2008（11）：21-23.

［9］徐慶春.汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)異響引起的車(chē)內(nèi)噪聲研究與解決［J］.汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2015（10）：129-130+141.

［10］馬扎根，韓國(guó)華，許雪瑩，等.汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)引起的車(chē)內(nèi)異響研究［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2012，32（1）：78-81.

Study on Car InteriorAbnormal Noise Caused byAir Conditioning System Based on Rapid Diagnosis

YANGCheng，LAI Tian-hua，ZHOU Xiao-bin，SUN Huan-kun，ZHAOYi
（College of Mechanical Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

Automobile air-conditioning system is one of the subsystems of vehicles which can cause interior abnormal noise.For the obvious“whining”noise occurs in a SUV car when its air-conditioning system is on，transfer path analysis method and incremental analysis method are applied to rapid diagnosis.The noise test analysis is done in a real car.Utilizing the frequency analysis method and the acoustic interactive filtering technology，it is found that the main excitation source which induces the interior abnormal noise is the compressor of the air-conditioning system.With the noise transmission path and increment comprehensive analyses，it is found that the key radiation noise sources are the expansion valve and the evaporator.With the use of some vibration control measures，the interior abnormal noise of the car is reduced by 2.5 dB（A）.

acoustics；rapid diagnosis；interior abnormal noise；transfer path analysis；increment analysis；airconditioning system

TB533+.2

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.03.032

1006-1355（2016）03-0155-04

2015-12-08

中央高校基本業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目（106112013CDJZR13110047）

楊誠(chéng)（1964-），男，湖北，博士，副教授，主要研究方向?yàn)槠?chē)振動(dòng)與噪聲控制。

賴(lài)天華，男，碩士生。E-mail：1170556915@qq.com